表觀基因組分析揭示轉錄因子結合區(qū)DNA甲基化表征其功能和進化背景
DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾，對調控基因組功能有多種作用。其水平在整個基因組中具有空間相關性，通常在被抑制區(qū)域較高，在轉錄因子（TF）結合位點（TFBS）和活性調控區(qū)域較低。然而建立全基因組和TF結合位點甲基化模式的機制仍不清楚。
2024年6月6日，歐洲分子生物學實驗室EMBL（European Molecular Biology Laboratory）Maša Roller團隊設計了一項比較表觀基因組學研究以研究轉錄因子結合區(qū)域內的DNA甲基化（DNAm）模式。從五種哺乳動物（人類、獼猴、小鼠、大鼠和狗）的肝臟生成全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）數(shù)據，并檢索匹配組織中五種轉錄因子的公開可用ChIP測序數(shù)據。其中四種（CEBPA、HNF4A、ONECUT1和FOXA1）是肝臟特異性調控網絡的關鍵組分，而CTCF是一種廣泛存在的多功能蛋白。作者利用這些數(shù)據集來表征轉錄因子結合區(qū)域（TFBRs）的DNA甲基化，揭示不同功能基因組元件中的差異DNAm模式，并表明DNA甲基化和轉錄因子結合共進化。相關研究成果以“DNA methylation patterns of transcription factor binding regions characterize their functional and evolutionary contexts”為題發(fā)表在《Genome Biology》期刊。
標題：DNA methylation patterns of transcription factor binding regions characterize their functional and evolutionary contexts（轉錄因子結合區(qū)域DNA甲基化模式表征了其功能和進化背景）
時間：2024-6-6
期刊：Genome Biology
影響因子：IF 12.3 / Q1
技術平臺：ChIP-seq、WGBS等
研究摘要：
本研究采用比較方法來探究DNA甲基化與哺乳動物中轉錄因子(TF)結合位點進化之間的聯(lián)系。具體來說，通過實驗對DNA甲基化進行分析，并將其與已發(fā)表的五種不同轉錄因子（CTCF、CEBPA、HNF4A、ONECUT1、FOXA1）在五種哺乳動物（人類、獼猴、小鼠、大鼠、狗）肝臟中的占據情況相結合。
轉錄因子結合位點通常甲基化水平較低，但也通常具有中等甲基化水平。即使在核心結合motif中沒有CpG位點，結合位點的甲基化水平也會受到其更廣泛結合區(qū)域內CpG位點的影響。
通過采用分類和聚類方法，研究人員提取了在轉錄因子結合區(qū)域具有物種保守性的不同DNA甲基化水平模式。CEBPA、HNF4A、ONECUT1和FOXA1具有相同的甲基化模式，而CTCF的模式則具有差異。這些模式表征了轉錄因子結合區(qū)域的不同功能和染色質景觀。
利用系統(tǒng)發(fā)育框架分析，揭示了轉錄因子占據的進化喪失中出現(xiàn)了DNA甲基化增加，表明了協(xié)調進化的存在。此外，每種甲基化模式都有其自身的進化軌跡，表征了其基因組背景。
總之，本研究通過表觀基因組分析表明，DNA甲基化在物種間的轉錄因子結合變化中發(fā)揮作用，特定的DNA甲基化譜可以表征轉錄因子結合，并與其調控活性、染色質背景和進化軌跡相關聯(lián)。
研究方法：
結果圖形：
（1）通過WGBS實驗和ChIP-seq數(shù)據分析轉錄因子結合區(qū)域的DNA甲基化
圖1：比對哺乳動物中的甲基化組。
A. 示例區(qū)域：從五種哺乳動物分離的肝臟中SMG6位點周圍的體內5mC甲基化和轉錄因子結合。上面顯示通過亞硫酸鹽測序檢測的CpG甲基化水平，下面顯示通過ChIP-seq檢測的五種轉錄因子結合軌跡（CEBPA、CTCF、FOXA1、HNF4A、ONECUT1）。
B. 每個物種中WGBS數(shù)據的基因組覆蓋率。y軸顯示百分比，點半徑表示正鏈和負鏈覆蓋的CpG總數(shù)
C. 每個物種的全基因組CpG甲基化密度分布。所有分布都是雙峰的，絕大多數(shù)CpG位點呈現(xiàn)高甲基化狀態(tài)。
（2）轉錄因子可以結合所有甲基化水平的DNA
B. 轉錄因子結合區(qū)域(TFBRs)和轉錄因子結合位點(TFBSs)的定義。TFBRs是ChIP-seq峰，已在物種和轉錄因子內按長度歸一化。TFBSs覆蓋ChIP-seq峰最頂端最近的結合motif。
C. TFBRs的平均甲基化水平。在所有物種和轉錄因子中的分布是雙峰分布。所有轉錄因子都具有低甲基化模式，而CTCF具有較高的高甲基化模式，其余轉錄因子具有較低模式。
D. TFBRs和TFBSs的CpG甲基化密度分布。除了CTCF在所有物種中單峰分布外，所有分布都是雙峰分布。高甲基化區(qū)域的閾值用灰色虛線標記（即平均甲基化60%）。
E. 高甲基化TFBR中甲基化水平與轉座子元件和非重復相關元件重疊。當TFBRs與轉座元件重疊時其有較高5mC水平。
F. 選定的轉座元件組中高甲基化TFBRs相對于對照低甲基化TFBRs的相對正富集。
（3）轉錄因子結合多種共有的DNA甲基化譜
B. 大鼠CEBPA、小鼠FOXA1和獼猴CTCF結合區(qū)域的5mC分布圖，以ChIP-seq peaks峰值為中心，歸一化為1200 bp長度。這些區(qū)域有四種類型的甲基化圖譜：“flat”（平坦）以深綠色表示，“left”（左）和“right”（右）分別以紫色和橙色表示（文中均稱為“specular”即鏡像），“high”（高）以淺綠色表示，“mid”（中等），這是CTCF特有的，以粉紅色表示。
C. 與B圖中定義的每個聚類甲基化譜相關的轉錄因子結合區(qū)域的注釋。右側條形圖顯示每個甲基化譜中的轉錄因子結合事件的百分比，這些事件位于基因組的未甲基化區(qū)域(UMRs)、低甲基化區(qū)域(LMRs)或完全甲基化區(qū)域(FMR)（分別以黃色、橙色和紅色表示）。左側是每個5mC圖譜中的轉錄因子結合事件被注釋為活性啟動子、活性增強子或準備增強子的百分比。條形顏色根據TFBRs甲基化圖譜分配而定，并通過調節(jié)元素注釋進行著色——活性啟動子最淺，活性增強子較深，準備增強子最深。星號表示注釋類別顯著富集（經Bonferroni校正的z檢驗，*p值<0.05）。
D. 每個轉錄因子結合區(qū)域與最近轉錄起始位點距離累積分布，按B圖中定義的甲基化圖譜分組。x軸以log10比例尺表示。
（4）DNA甲基化水平與轉錄因子結合的多樣性相關聯(lián)
B. 同源結合區(qū)域、同源未結合區(qū)域和基因組背景(BG)的平均5mC水平分布。
C. 狗CEBPA和獼猴CTCF同源結合和同源未結合區(qū)域，根據A圖中定義的物種保守性類別劃分的平均5mC分布（Jonckheere-Terpstra趨勢檢驗，p值<2.2e106）。
D. 簡約性方法將狗和大鼠的轉錄因子結合區(qū)域(TFBRs)的同源結合和同源未結合區(qū)域進一步劃分為進化結合丟失和獲得事件。
E. 物種保守性與5mC圖譜之間的關系。氣泡圖顯示了狗CEBPA和獼猴CTCF轉錄因子結合事件的5mC圖譜和轉錄因子結合保守性類別之間關聯(lián)分析（獨立性的卡方檢驗）的標準殘差。正值表示物種保守性程度與甲基化譜之間存在正相關，而負值表示負相關。例如，狗的CEBPA結合事件，具有平坦特征的與較高水平的物種保守性正相關，而與譜系特異性結合事件負相關。氣泡的大小與對總卡方得分的貢獻百分比成比例，因此突出了物種保守性與甲基化譜組合對整體統(tǒng)計數(shù)據影響最大的組合。
參考文獻：
Rimoldi M, Wang N, Zhang J, Villar D, Odom DT, Taipale J, Flicek P, Roller M. DNA methylation patterns of transcription factor binding regions characterize their functional and evolutionary contexts. Genome Biol. 2024 Jun 6;25(1):146. pii: 10.1186/s13059-024-03218-6. doi: 10.1186/s13059-024-03218-6. PubMed PMID: 38844976.
2024年6月6日，歐洲分子生物學實驗室EMBL（European Molecular Biology Laboratory）Maša Roller團隊設計了一項比較表觀基因組學研究以研究轉錄因子結合區(qū)域內的DNA甲基化（DNAm）模式。從五種哺乳動物（人類、獼猴、小鼠、大鼠和狗）的肝臟生成全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）數(shù)據，并檢索匹配組織中五種轉錄因子的公開可用ChIP測序數(shù)據。其中四種（CEBPA、HNF4A、ONECUT1和FOXA1）是肝臟特異性調控網絡的關鍵組分，而CTCF是一種廣泛存在的多功能蛋白。作者利用這些數(shù)據集來表征轉錄因子結合區(qū)域（TFBRs）的DNA甲基化，揭示不同功能基因組元件中的差異DNAm模式，并表明DNA甲基化和轉錄因子結合共進化。相關研究成果以“DNA methylation patterns of transcription factor binding regions characterize their functional and evolutionary contexts”為題發(fā)表在《Genome Biology》期刊。
標題：DNA methylation patterns of transcription factor binding regions characterize their functional and evolutionary contexts（轉錄因子結合區(qū)域DNA甲基化模式表征了其功能和進化背景）
時間：2024-6-6
期刊：Genome Biology
影響因子：IF 12.3 / Q1
技術平臺：ChIP-seq、WGBS等
研究摘要：
本研究采用比較方法來探究DNA甲基化與哺乳動物中轉錄因子(TF)結合位點進化之間的聯(lián)系。具體來說，通過實驗對DNA甲基化進行分析，并將其與已發(fā)表的五種不同轉錄因子（CTCF、CEBPA、HNF4A、ONECUT1、FOXA1）在五種哺乳動物（人類、獼猴、小鼠、大鼠、狗）肝臟中的占據情況相結合。
轉錄因子結合位點通常甲基化水平較低，但也通常具有中等甲基化水平。即使在核心結合motif中沒有CpG位點，結合位點的甲基化水平也會受到其更廣泛結合區(qū)域內CpG位點的影響。
通過采用分類和聚類方法，研究人員提取了在轉錄因子結合區(qū)域具有物種保守性的不同DNA甲基化水平模式。CEBPA、HNF4A、ONECUT1和FOXA1具有相同的甲基化模式，而CTCF的模式則具有差異。這些模式表征了轉錄因子結合區(qū)域的不同功能和染色質景觀。
利用系統(tǒng)發(fā)育框架分析，揭示了轉錄因子占據的進化喪失中出現(xiàn)了DNA甲基化增加，表明了協(xié)調進化的存在。此外，每種甲基化模式都有其自身的進化軌跡，表征了其基因組背景。
總之，本研究通過表觀基因組分析表明，DNA甲基化在物種間的轉錄因子結合變化中發(fā)揮作用，特定的DNA甲基化譜可以表征轉錄因子結合，并與其調控活性、染色質背景和進化軌跡相關聯(lián)。
研究方法：
（1）通過WGBS實驗和ChIP-seq數(shù)據分析轉錄因子結合區(qū)域的DNA甲基化
圖1：比對哺乳動物中的甲基化組。
B. 每個物種中WGBS數(shù)據的基因組覆蓋率。y軸顯示百分比，點半徑表示正鏈和負鏈覆蓋的CpG總數(shù)
C. 每個物種的全基因組CpG甲基化密度分布。所有分布都是雙峰的，絕大多數(shù)CpG位點呈現(xiàn)高甲基化狀態(tài)。
（2）轉錄因子可以結合所有甲基化水平的DNA
圖2：轉錄因子結合區(qū)域(TFBRs)的甲基化譜。
A. 每個轉錄因子和物種中至少含有一個CpG的TFBRs和轉錄因子結合位點(TFBSs)的百分比及其結合motif。大多數(shù)TFBRs包含CpG位點，但在轉錄因子結合位點很少見。為每個轉錄因子顯示了基于人類樣本計算的位點權重矩陣(PWMs)。B. 轉錄因子結合區(qū)域(TFBRs)和轉錄因子結合位點(TFBSs)的定義。TFBRs是ChIP-seq峰，已在物種和轉錄因子內按長度歸一化。TFBSs覆蓋ChIP-seq峰最頂端最近的結合motif。
C. TFBRs的平均甲基化水平。在所有物種和轉錄因子中的分布是雙峰分布。所有轉錄因子都具有低甲基化模式，而CTCF具有較高的高甲基化模式，其余轉錄因子具有較低模式。
D. TFBRs和TFBSs的CpG甲基化密度分布。除了CTCF在所有物種中單峰分布外，所有分布都是雙峰分布。高甲基化區(qū)域的閾值用灰色虛線標記（即平均甲基化60%）。
E. 高甲基化TFBR中甲基化水平與轉座子元件和非重復相關元件重疊。當TFBRs與轉座元件重疊時其有較高5mC水平。
F. 選定的轉座元件組中高甲基化TFBRs相對于對照低甲基化TFBRs的相對正富集。
（3）轉錄因子結合多種共有的DNA甲基化譜
圖3：轉錄因子結合區(qū)域的差異甲基化。
A. 大鼠轉錄因子結合區(qū)域的平均5mC和CpG頻率分布圖，以ChIP-seq peaks峰值為中心，向兩側各擴展600 bp。每個圖譜中分類的區(qū)域數(shù)量如圖B所示。B. 大鼠CEBPA、小鼠FOXA1和獼猴CTCF結合區(qū)域的5mC分布圖，以ChIP-seq peaks峰值為中心，歸一化為1200 bp長度。這些區(qū)域有四種類型的甲基化圖譜：“flat”（平坦）以深綠色表示，“left”（左）和“right”（右）分別以紫色和橙色表示（文中均稱為“specular”即鏡像），“high”（高）以淺綠色表示，“mid”（中等），這是CTCF特有的，以粉紅色表示。
C. 與B圖中定義的每個聚類甲基化譜相關的轉錄因子結合區(qū)域的注釋。右側條形圖顯示每個甲基化譜中的轉錄因子結合事件的百分比，這些事件位于基因組的未甲基化區(qū)域(UMRs)、低甲基化區(qū)域(LMRs)或完全甲基化區(qū)域(FMR)（分別以黃色、橙色和紅色表示）。左側是每個5mC圖譜中的轉錄因子結合事件被注釋為活性啟動子、活性增強子或準備增強子的百分比。條形顏色根據TFBRs甲基化圖譜分配而定，并通過調節(jié)元素注釋進行著色——活性啟動子最淺，活性增強子較深，準備增強子最深。星號表示注釋類別顯著富集（經Bonferroni校正的z檢驗，*p值<0.05）。
D. 每個轉錄因子結合區(qū)域與最近轉錄起始位點距離累積分布，按B圖中定義的甲基化圖譜分組。x軸以log10比例尺表示。
（4）DNA甲基化水平與轉錄因子結合的多樣性相關聯(lián)
圖4：哺乳動物中甲基化與轉錄因子(TF)結合的共進化。
A. 使用系統(tǒng)發(fā)育簡約性方法示意圖，以定義物種保守性類別和具有結合保守性的物種數(shù)量。簡單來說，首先跨物種對齊并比較轉錄因子結合事件，然后使用簡約性原則來劃分特定于譜系和特定于類群的結合丟失，以及特定于譜系和特定于類群的結合獲得。在物種中實驗確定有結合的區(qū)域被稱為同源結合的，沒有結合的稱為未結合的。高保守結合事件被定義為在所有物種中都有結合。下圖展示了由共有轉錄因子結合事件的物種總數(shù)定義的相應物種保守性程度示例。B. 同源結合區(qū)域、同源未結合區(qū)域和基因組背景(BG)的平均5mC水平分布。
C. 狗CEBPA和獼猴CTCF同源結合和同源未結合區(qū)域，根據A圖中定義的物種保守性類別劃分的平均5mC分布（Jonckheere-Terpstra趨勢檢驗，p值<2.2e106）。
D. 簡約性方法將狗和大鼠的轉錄因子結合區(qū)域(TFBRs)的同源結合和同源未結合區(qū)域進一步劃分為進化結合丟失和獲得事件。
E. 物種保守性與5mC圖譜之間的關系。氣泡圖顯示了狗CEBPA和獼猴CTCF轉錄因子結合事件的5mC圖譜和轉錄因子結合保守性類別之間關聯(lián)分析（獨立性的卡方檢驗）的標準殘差。正值表示物種保守性程度與甲基化譜之間存在正相關，而負值表示負相關。例如，狗的CEBPA結合事件，具有平坦特征的與較高水平的物種保守性正相關，而與譜系特異性結合事件負相關。氣泡的大小與對總卡方得分的貢獻百分比成比例，因此突出了物種保守性與甲基化譜組合對整體統(tǒng)計數(shù)據影響最大的組合。
參考文獻：
Rimoldi M, Wang N, Zhang J, Villar D, Odom DT, Taipale J, Flicek P, Roller M. DNA methylation patterns of transcription factor binding regions characterize their functional and evolutionary contexts. Genome Biol. 2024 Jun 6;25(1):146. pii: 10.1186/s13059-024-03218-6. doi: 10.1186/s13059-024-03218-6. PubMed PMID: 38844976.
標簽：
DNA甲基化
